機床電氣線路排故智能化改造

劉開云，何文樂

（中山市中等專業學校，廣東中山，528400）

本校維修電工室實訓室一共有2個，使用的是某公司的產品設備。這些設備包含有CA6140車床控制電路板、M7120平面磨床控制電路板、T68鏜床控制電路板、X62W萬能銑床控制電路板、Z3040鉆床控制電路板。每一套控制電路板都有相應電氣控制電路、故障設置器、答題器、熱繼電器、空氣開關等相關元器件，他們都是固定在一塊正方形的板子上。每個元器件之間都有規范接線，接線處會預留出觸點提供給練習的學生檢測故障點。故障設置器是用于給控制電路板設置故障，是通過一臺電腦利用串口線給電氣控制板下發故障指令，學生利用答題器完成排故使用。

1 機床電氣線路故障板的分析

機床電氣線路故障板是用于學生考核維修電工證練習的設備之一，主要考查學生對機床電氣設備電路的掌握情況。考核大綱中的考核要求是考核人員利用計算機對機床電氣線路板設置故障點，每套電路根據圖紙設置有16個常規故障點，學生考證時隨機抽取3個故障點，學生利用答題器完成排故。因此學生在平時練習的時候會常用到故障設置器設置故障，答題器排除故障。因設備使用頻率高，難免會有損耗，設備后期維護起來成本非常高，而且有些元器件在市面上很難找到，一旦出現設備故障就會影響學生的正常練習。這樣會影響到考證復習的進度，因此我從綜合方面考慮，設計出一個可以代替設備中的故障設置器和答題器。以便日常維護和開展教學活動。

經過對機床電氣線路板的深入分析，發現每套電路板的內部結構并不復雜。主要是在電路板的主電路中可以設置16個故障點，故障點都是以斷路的形式實現，每個斷點的兩頭分別和繼電器的公共端和常閉端連接，控制端是外接到排線接口。也就是說明故障點的設置功能最終是由繼電器來控制的，只要對每個故障點繼電器進行控制，就能達到控制的目的。以CA6140車床控制電路為例，該車床電路分為主電路、控制電路和照明、信號燈電路三部分（原理圖如圖1所示），在該電路圖中，所有的故障點是通過DZ2航空插座各引腳來一一對應，通過計算機向機床電氣電路板下發指令達到控制的效果。

圖1

目前實訓室維修電工考證實訓練習機床電氣排故模塊已經使用多年，用于設置故障的計算機上位機因為各種原因早已不能使用，且購買年限已久早已過了質保期，因此想通過改良實訓室的機床電氣電路板，使其除了能正常使用外，還增加了一些實用的功能如機床電氣板的溫濕度監控，增加無線藍牙通信設故障排故障等。這樣改造的目的是改變上位機通信限制，藍牙通信可以在近距離給車床電路板下發指令，APP上位機的設置可以根據授課的進度和需求等隨意設計，靈活運用。可以減輕授課教師因為硬件問題在上課途中帶來的困擾，增加的溫濕度監控是為了更好的確保學生在一個安全的環境下進行操作，也便于教師在上課中可以更加直觀的檢測數據。無線藍牙模塊的加入就是為了解決傳統有線通信的弊端。

2 智能化改造方案

按照維修電工中級考證的考核大綱，在機床電氣維修模塊要求考生獨立完成三處的故障點排除，包括主回路一個故障，控制回路兩個故障點。

經過簡單整理后，決定對這個機床電氣線路板進行改造，使用一塊51單片機作為主板控制，接入到16個故障點的繼電器控制端，加上藍牙模塊，需設計一個安卓手機端應用APP作為上位機。51單片機主控板可以實現以下幾個功能：（1）代替設備原來的故障設置器和答題器；可以通過4×4矩陣鍵盤來設置故障點；（2）有藍牙模塊的存在，老師可以直接利用手機通過連接藍牙通信單片機直接給主控板下發指令，可以實現設置故障點或者解除故障點；（3）可以模擬考證，在選擇考證模式時，主控板會隨機設置三個故障點，并且倒計時60分鐘，開始和結束都有提示音提示；（4）加入溫濕度檢測，機床電氣設備是強電設備，對環境有要求，如果濕度過高很容易發生漏電，檢測的數據可以發送到手機上位機，當超過設置的溫濕度值時，主控板會做出相應的保護動作。

3 電路設計系統框圖

根據練習器的功能需求，我大致的畫出了設計框圖，如圖2所示。從設計框圖中我們可以看到該系統的核心控制芯片為單片機，我選用單片機型號是STC89C52系列。因為本系統并不復雜，89系列的單片機足夠運用了，并且該芯片價格合理功能齊全，引腳多的優勢。該芯片主要負責信號處理，比如從按鍵取得的手動輸入信息；通過單片機處理后將需要顯示的內容通過液晶顯示器顯示出來，達到人機交互的效果，涉及到需要控制繼電器控制端的信號，單片機也會將控制信號送到相應的端口；通過藍牙模塊實現手機移動端與單片機通信。

圖2

4 系統硬件設計

硬件系統包括：單片機最小系統模塊、人機交互顯示電路（1602顯示）、車床控制接口電路、矩陣按鍵電路、環境感應電路、系統電源電路、聲音提示電路組成。

單片機最小系統模塊采用的以單片機STC89C52芯片為核心器件，配合電容電阻晶振等器件構成單片機最小系統。其他的模塊都是圍繞單片機最小系統展開。

人機交互顯示電路采用液晶模塊1602作為主要顯示器件。它可顯示2行16個字符，能顯示英文字母大小寫、阿拉伯數字、常用符號等。通過自定義還可以顯示簡單的漢字。因本系統操作不會涉及到太多的中文字符，因此1602模塊足夠使用。

車床控制接口電路主要通過專用的接頭（繼電器接口），將需要控制的信息送到設備內部。選用74HC595芯片作為單片機I/O口拓展芯片，使用2塊芯片就能達到系統需求。

矩陣按鍵電路是采用4×4矩陣鍵盤；環境感應電路采用DHT11溫濕度傳感器；聲音提示電路采用蜂鳴器。

5 系統軟件設計

■5.1 上位機軟件設計

本系統亮點在于操作者可以用手機通過藍牙控制單片機，通過藍牙模塊實現，因此上位機是應用在安卓系統手機上的APP。APP程序采用Android語言編寫，Android是一種基于Linux系統的開放源代碼的操作系統。目前市面上的安卓手機都支持本系統開發的APK文件。安卓的開發環境是Eclipse軟件。其界面設置如圖3所示，功能強大，有實時溫度檢測，模擬考證功能，一鍵排故功能，隨機設故功能。藍牙功能可以讓機床電氣設備擺脫計算機串口通信不穩定，系統過時的限制，只要有手機就能通過藍牙連接設備進行操作。

圖3

■5.2 下位機程序設計

下位機單片機程序采用Medwin軟件編程，編程語言采用C51語言，程序采用結構化編程。包括系統初始化、1602液晶顯示子程序、4×4按鍵子程序、藍牙通信子程序、溫濕度傳感器子程序、故障設置排除子程序、考證子程序等。

■5.3 溫濕度傳感子程序

溫濕度數據的采集是使用DHT11數字溫濕度傳感器，集成溫度和濕度的數據采集。可靠性和穩定性非常卓越，傳感器本身體積很小，有三個引腳，分別為電源正極，數據端，電源地。單片機和DHT11之間的通信是采用串行通信，一次完整的數據傳輸為40個字節，高位先出。數據的格式為8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據+8位校驗和，數據傳送正確時校驗和數據等于“8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據”所得結果的末8位。

6 應用及效果

本套機床電氣電路智能化改造將單片機技術融入維修電工考證設備中，利用單片機簡單易操作的優勢把藍牙通信、溫濕度監測、可視化模塊巧妙的融合在一起，有效的解決了機床電氣設備老化、不易維修等難題。實現了設備重復利用的綠色節能環保理念。教師在使用的過程中也比原來的方式更加簡便，在課堂上可以更加專注于教學上了。

與此同時，這套改造方案在中等職業教育教學中也具有推廣價值。特別適用于較早購買這套考證設備的院校，改造成本低，使用方便。學生在使用的時候也特別好理解，對維修電工考證排除機床電路故障成功率有顯著的提高！